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스마트 그리드

by zozogap 2022. 10. 29.
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미래 창조 과학기술부 

스마트 그리드

스마트 그리드(Smart Grid)는 기존의 전력망에 정보통신기술(ICT)을 접목하여 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보와 전력을 교환함으로써 에너지 효율을 극대화하는 지능형 전력망 기술이다

1. 기술의 발전 과정과 개발 동향 기술의 발전 과정 본격적인 스마트 그리드에 대한 연구는 미국을 중심으로 2000년 초반기부 터 추진되었다. 특히, 2000년에 전력연구원(EPRI)의 CEIDS 프로젝트)와 에 너지부(Department of Energy)에서 ‘그리드 2030(Grid 2030)’을 국가 비전으로 발표한 것 이 그 시발점이 되었다. 최초의 실증 사례로는 2007년 컨소시엄이 결성된 미 국 콜로라도 주 볼더(Boulder) 시의 스마트 그리드 도시 구축 사례를 들 수 있다. 국내의 경우 2004년 시작된 전력 IT 10대 사업을 통해 한전, 전력거래소, 전기연구원, 경원대 등이 참여하는 한국형 에너지 관리 시스템(K-EMS), 지능 형 송전 네트워크 감시운영 시스템 개발 등을 추진하였다. 그리고 6년 후인 2010년, 전력IT사업을 통해 한국형 에너지관리 시스템, 345메가와트급 정 지형 무효전력 보상장치(STATCOMStatic Synchronous Compensator, 전기를 송·배전할 때 손실되는 전력을 최소화하고 전압의 안정성을 높이는 설비이다. 즉, 풍력이나 태양광 등 신재생에너지 발전 시 기상상황에 따라 발전량이 급변하더라도 출력전압을 일정하게 유지해 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 하는 장치를 말한다. )) 개발 등 총 77종 32건의 사업화를 추진 하며 마침내 상용화에 성공하였다. 이후 2013년 5월까지 추진된 제주 실증단지에서는 153개 단위기술 검증 및 9개 비즈니스 모델(BM) 검증을 진행하였다. 2014년 제주 가파도 및 전남 가사도 등에 마이크로 그리드 소규모 지역에서 전력을 자체적으로 공급할 수 있는 스마트 그리드 시스템이다.)를 기반으로 하는 에너지 자립섬을 구축하 였고, 2015년에는 대용량 에너지 저장 시스템(ESS) Energy Storage System: 가정·상업·산업부문이나 발전소 등에서 전력을 저장해두었다가 필요할 때 사용·송전하기 위한 저장장치이다)도 구축하였다.

 

기술 개발 동향 전 세계에 걸쳐 단기적으로는 스마트 그리드 실증사업, 중기적으로는 스 마트 그리드 및 마이크로 그리드의 확대 적용, 장기적으로는 독립형 마이크 로 그리드 적용에 필요한 기술 개발이 동시에 추진 중이다. 특히, 스마트시 티 추진에 있어서 에너지 관리 시스템 등 소비자 영역에서의 커뮤니티 마이 크로 그리드 기술 개발 및 구축이 중점 추진되고 있다. 유럽, 미국, 일본 등에서는 기후변화 대응 및 온실가스 감축을 위한 신재 생·분산자원 분산자원은 집중형 자원과 대비되는 개념으로, 중앙 비통제 또는 수요지에서 가까운 위치의 자원을 뜻한다.분산자원은  중심의 마이크로 그리드 연구개발 사업 및 확산 사업이 진 행 중이다. 이를 통해 비즈니스 모델 개발, 서비스 영역의 수준 향상 등을 선 도적으로 추진하고 있다. 국내에서는 2015년 캠퍼스 및 도시·커뮤니티 연계형 신재생 및 분산자 원 기반 마이크로 그리드 기술 개발이 추진 중이다. 에너지 정보 기반의 지 식 서비스화를 통한 고부가가치 창출과 소비자 연계형 융복합 신서비스 기 술 개발 역시 추진 중이다.

유럽 및 북아프리카 슈퍼 그리드
유럽 및 북아프리카 슈퍼 그리드

, 스마트 미터기(AMI; Advanced Metering Infrastructure) 스마트 미터기(AMI)는 스마트 그리드 구현에 필요한 핵심기기로, 최종 전력소비자와 전력회사 간 양방향 통신을 이용하여 실시간 요금정산, 전력사정에 따른 가전 제어 등을 가능하게 하는 기기를 말한다.)를 기반으로 하는 국민 수요자원거래시장 전기사용자가 일상 속에서 전기를 아낀 만큼 전력시장에 판매하고 금전으로 보상받는 수요반응 제도와 시장에서 거래되는 분산자원 중개 서비스에 대한 기 술을 개발하고 있으며, 이를 통해 관련 분야의 활성화가 예상된다. 또한, 지 역 간 마이크로 그리드 구축과 커뮤니티 또는 국가 간 마이크로 그리드가 연계되는 슈퍼 그리드 기술 개발 및 구축을 모색하고 있다.

 

2. 기술확산점의 도달 시기와 단계별 발전 전망 기술확산점 전문가들을 대상으로 스마트 그리드의 기술확산점 도달 시기를 델파이 조사한 결과, 세계 기준으로는 미국에서 2022년에, 국내 기준으로는 2024년 에 해당 기술이 사회적으로 확산될 것으로 예측되었다. 기술확산점 도달 시 기 예측을 위한 기술확산점의 정의는 100만 명 이상의 광역 도시에 스마트 그리드 시스템을 구현한 시점으로 보았다.

2009년 12월부터 2013년 5월까지 추진된 제주 실증단지에서는 153개 단 위기술 및 9개 비즈니스를 검증하였으며, 이후 정부는 13개 지역80)에 에너 지 효율화 서비스, 수요관리, 자립형 분산전원 등 비즈니스 모델이 적용되 는 스마트 그리드 확산 사업을 추진하고 있다. 확산 사업을 통해 실질적인 기술 및 서비스의 확산이 시작될 것으로 전망된다. 특히, 정부는 2025년까지 광역 단위로 스마트 그리드 확산을 추진하고 있으므로 광역시 인구 기준인 100만 명을 기술확산점 정의에 활용하였다. 스마트 그리드 사업은 추후 정부 정책81)에 따른 목표 달성을 위한 수요 관리 서비스 확산, 스마트 미터기 기반 에너지 정보 서비스, 에너지 프로슈 머는 생산한 전력을 자가소비하고 남은 전력을 (인근) 소비자에게 판매하는 자를 의미한다.에너지 프로 슈머는  서비스 등으로 확산될 것으로 보인다.

 

기술확산점 도달 이후의 단계별 발전 전망 스마트 그리드는 기술확산점 도달 이후 마이크로 그리드 확산, 에너지 인포메틱스 서비스는 에너지 정보의 체계화를 전문적으로 설명해주는 서비스를 말한다. 슈퍼 그리드 규모가 큰 전력 공급을 위해 구축하는 대륙 규모의 광역 전력망을 말한다. 메가 그리드(Mega-grid) 혹은 대륙망 (Continental-grid)이라고도 한다. 구축의 단계로 발전해 갈 것으로 전망 된다. 스마트 그리드 기술은 기술확산점에 도달하면 전국의 주요 지역에 마련 된 거점을 중심으로 광역 단위로 확산될 것으로 예상된다. 다음으로는 초 연결·IoT 기반의 지역·커뮤니티 단위 마이크로 그리드 구축이 확대되고, 수용가85) 중심의 분산자원·에너지 프로슈머 활성화 및 스마트시티 연계 구축 등도 현실화될 것으로 보인다. 현재 수요관리 서비스의 국민 수요반응(DR, Demand Response)으로의 확대(2014.11.∼2016.5.까지 3.27GW 용량 보유) 및 스마트 미터기(AMI, Advanced Metering Infrastructure) 보급 확대(2020년까지 국내 전기사용 고객 2,000만 호 전체에 보급 계획)를 추진 중이다.  기술이 더욱 발전하면 계통 고장·장애 진단을 위한 상태 정보, 수용가 미터링 정보 등을 중심으로 빅데이터, 인공지능, 사이버물리시스템(Cyber Physical System) 기반의 에너지 인포메틱스 서비스가 제공될 것으로 전망된다. 기술의 고도화는 마침내 각국의 신재생에너지원 중심 지역과 스마트 그 리드 주요 지점을 연계하는 슈퍼 그리드를 현실화시킬 것이며, 북유럽 슈퍼 그리드, 남유럽-북아프리카-중동 슈퍼 그리드 등이 추진 중이다. 분산자원 의 활발한 활용으로 온실가스 저감에 대한 국제적 노력이 성과를 거두게 될 것이다.

 

3. 미래사회 변화 전망 아시아 지역을 기준으로 스마트 그리드의 시장규모는 2014년 76억 달러 에서 2019년까지 139억 달러 수준으로 2배 가까이 증가할 것으로 예상된 다.  세계 마이크로 그리드 시장은 2013년 약 83억 달러에서 2020년 경 약 5배인 400억 달러 규모로 성장할 것으로 전망된다. 출처35 초연결, 초지능으로 대별되는 제4차 산업혁명의 가시적인 기술과 서비스 가 실현되면서, 소비자 영역에서의 에너지 융합서비스가 활성화될 것이다. 분산자원의 활성화를 통해 공공재로서의 에너지를 누구나 생산·저장·판 매할 수 있게 될 가능성이 충분하다. 결국엔 스마트 그리드를 통해 폭염, 혹 한 등 기후변화로 인한 전력수요 증가에 대비할 수 있으므로, 블랙아웃 등 전 력공급 차질로 인한 피해 발생 가능성 또한 획기적으로 줄어들 것이다. 산업적 파급효과도 클 것으로 예상된다. 미래사회는 세계 경제의 글로벌 화가 급격히 진행되고 기술과 비즈니스의 융복합으로 산업 간 경계가 더욱 불분명해질 것이다. 결국 에너지와 ICT의 융합산업 이외에 다양한 형태의 산업 간 융합이 이루어질 것이며, 타 산업에 대한 영향이 더욱 커질 것으로 보인다. 따라서 전력 생산 기간산업, 전력시장 및 서비스 제공 사업, 정보통 신 서비스 사업, 연관·지원 사업, 융복합 사업 등으로 산업이 확대될 전망 이다. 에너지 인공광합성, 전기차 기반 자율주행 자동차, 인공지능(AI) 기반 에너지관리시스템, 패킷 에너지 전송 시스템, 블록체인 기반 에너지 자 산 거래 등이 그 예가 될 것이다.

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4. 기술확산 실현을 위한 과제 스마트 그리드가 사회적으로 확산되려면 정부는 무엇을 해야 할까? 전 문가 델파이 조사 결과, 정부가 우선적으로 시행해야 할 방안으로는 인프라 구축(41.9%), 제도 개선(23.0%), 기술 개발(15.9%) 등의 순으로 나타났다. 스마트 그리드 서비스의 기반이 되는 인프라 확산사업과 더불어 소비 자 영역(가정, 빌딩, 공장·단지, 도시 등)별 마이크로 그리드 구축과 각 마이크로 그리 드 간 상호운용이 가능하도록 연동될 수 있는 기반의 확보가 필요하다. 또 한 기존 발전 설비와의 연계를 전제로 신재생에너지를 이용하여 분산형 발 전 설비를 확충하고, 하이브리드 전력변환시스템 또한 구축해야 한다. 이때 적용 지역의 환경이나 사업주체에 따라 그리드의 설비 및 제어 특성이 다를 수 있으므로, 이를 호환할 수 있는 형태로 인프라 구축이 되어야 한다. 제도 개선도 중요하다. 공공재로서 에너지 체계가 변화할 것에 대응하여 시장에서 활발하게 유통될 수 있도록, 기존의 독점적인 공급자·운영자 중 심에서 소비자 중심으로 제도를 개선해야 한다. 스마트 그리드를 포함한 에 너지 신산업 육성을 위해서는 전력산업 구조개편을 통해 전력시장을 자유 화할 필요가 있다. 또한, 에너지 정보에 대한 시장을 공개하여 기업들이 새 로운 비즈니스 모델을 만들어 낼 수 있도록 제도를 마련해야 한다. 또한 신재생에너지, 에너지 저장장치, 전기차 등 점차 다양한 형태의 에 너지 생산자원과 수요자원이 증가함에 따라, 이러한 자원과 시스템 간 다양 한 정보의 흐름과 에너지 유통을 관리·제어할 수 있는 기술 개발이 필요하 다. 에너지의 안전하고 안정적인 공급을 위해 탈 탄소 소형전력 생산 기술,에너지 수확(Energy Harvesting)90) 기술, 분산자원 하이브리드 PCS 태양광, 풍력발전 등의 분산형전원에 전력변환장치(Power Conversion System) 등의 설비를 혼합하여 발전하는 유형을 말한다) 기술, PnP 모 듈러형 마이크로 그리드 시스템, 소규모 지역에서 전력을 자급자족할 수 있는 마이크로 그리드 시스템으로, 설치하면 별도의 다른 설정 없이 자동으로 기동(PnP, Plug & Play)할 수 있도록 모듈화된 것을 말한다.Internet Data Center, 전력 정보와 관련된 데이터를 모아 인터넷으로 제공 ) 수요 및 신재생·분산자원 최적화 기술 등도 함께 개발할 필요가 있다. 이와 함께 전력 시스템 및 에너지 관련 주력산업 기술과 사물인터넷, 인 공지능, 빅데이터 등 ICT 간의 융합기술을 창출할 수 있는 인재의 양성이 필 요하다. 또한 전기 이외의 열 그리드, 가스 그리드 등 다양한 에너지원의 통 합 기술을 개발할 인력, 에너지 정보 기반의 새로운 비즈니스를 창출할 에 너지 데이터 과학자 등의 전문 인력 확보도 중요하다. 산학연의 혁신적 기술 개발 및 협력 연구를 활성화시키기 위한 노력도 필요하다. 이를 위해 소비자 도메인 전력망 및 통신망 등의 인프라를 개방 하고, 개방형 에너지 정보 IDC소규모 지역에서 전력을 자급자족할 수 있는 마이크로 그리드 시스템으로, 설치하면 별도의 다른 설정 없이 자동으로 기동(PnP, Plug & Play)할 수 있도록 모듈화된 것을 말한다.)와 학계 및 연구계에서 개발한 선도적 기술 을 적용하기 위한 스마트 그리드 개방형 R&D 센터를 구축하는 것이 필요하 다. 이러한 서비스 인프라 구축을 위해서는 사업 주체와 지자체의 협력 관 계도 긴밀하게 구축해야 한다

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